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Le celle solari interamente in carbonio significheranno pannelli solari economici e flessibili
Utilizzando un sacco di nuovi nanomateriali, i ricercatori della Stanford University hanno costruito le prime celle solari interamente in carbonio. Il loro fotovoltaico in carbonio non produce molta elettricità, ma man mano che la tecnologia viene perfezionata, le celle interamente in carbonio potrebbero essere economiche, stampabili, flessibili e abbastanza resistenti da resistere ad ambienti e condizioni meteorologiche estreme.
Cella al carbonio: La cella solare interamente al carbonio è costituita da uno strato fotoattivo tra due elettrodi.
L'obiettivo non è sostituire le celle solari realizzate con silicio e altri materiali inorganici, afferma Zhenan Bao , professore di ingegneria chimica alla Stanford University, che ha guidato il lavoro. Piuttosto, è per riempire nuove nicchie. Il carbonio è uno degli elementi più abbondanti sulla terra ed è versatile, afferma Bao.
Il carbonio è straordinariamente resistente: il grafene dello spessore di un atomo e i nanotubi di carbonio lunghi e sottili sono due dei materiali più resistenti mai testati. Quindi il fotovoltaico a carbonio potrebbe essere spruzzato sui lati degli edifici o arrotolato e portato nel deserto. Varie forme di carbonio possono essere stampate per realizzare componenti elettronici sottili, flessibili, trasparenti e persino estensibili.
Grazie alla sua versatilità, il carbonio in una forma o nell'altra è stato utilizzato per realizzare ogni componente della cella solare. Le tre parti principali, un catodo di nanotubi e un anodo di grafene che racchiudono uno strato attivo fatto di nanotubi e buckyball, sono state tutte realizzate mediante stampa o evaporazione degli inchiostri.
Far funzionare il catodo è stata la parte più difficile, afferma Bao: i ricercatori hanno avuto difficoltà a creare nanomateriali di carbonio che raccolgono elettroni. I ricercatori di Stanford hanno risolto il problema scegliendo il giusto sapore dei nanotubi e dando loro un trattamento chimico. Questo lavoro è descritto nella rivista ACS Nano .
Il fotovoltaico interamente in carbonio converte meno dell'1% dell'energia della luce in elettricità (in confronto, una cella solare al silicio converte circa il 20% della luce in elettricità). Tuttavia, Bao afferma che il suo gruppo ha lavorato principalmente con materiali standard, con solo un po' di messa a punto. Attribuisce parte del problema alla ruvidità delle pellicole di carbonio, che fa aumentare le spese di viaggio, e afferma che dovrebbe essere possibile appianarle lavorando sui metodi di lavorazione.
I nanomateriali di carbonio sono ancora materiali relativamente nuovi, afferma Bao. Ci sono molte ricerche su come controllare le loro proprietà e come usarle.
Ricercatore IBM Yorktown e 2011 Revisione della tecnologia del MIT il giovane innovatore Fengnian Xia, che non è coinvolto nel lavoro, è d'accordo, dicendo che le celle solari necessitano di materiali di partenza e processi di migliore qualità. L'idea è fantastica e questa è una buona prima dimostrazione, ma non è pronta per applicazioni realistiche, dice.
Altri gruppi si concentrano sulla produzione di materiali di carbonio migliori per gli strati attivi del fotovoltaico. Secondo i calcoli teorici di Jeffrey Grossman al MIT, le celle solari al carbonio dovrebbero essere in grado di raggiungere un'efficienza di conversione del 13%.
Affinché le celle solari al carbonio siano commercialmente redditizie, afferma Shenqiang Ren , assistente professore di chimica presso l'Università del Kansas, la loro efficienza deve superare il 10 per cento. Il laboratorio di Ren ha stabilito il record di efficienza di conversione per le celle solari al carbonio (dotate di elettrodi metallici convenzionali) all'1,3% questo settembre, in un lavoro apparso in ACS Nano . Riguarda il rendimento delle prime celle solari polimeriche, osserva.
Ren sta lavorando con scienziati dei materiali computazionali, tra cui Grossman, per progettare un fotovoltaico al carbonio migliore selezionando i giusti tipi di nanomateriali di carbonio. Con questa guida, dice Ren, il suo laboratorio ha già realizzato celle solari al carbonio che convertono il 5% dell'energia luminosa in elettricità, e si aspetta di andare ancora più in alto.